Тема . №25 Электродинамика (Расчетная задача высокого уровня сложности)
.04 Энергетический подход в электрических цепях
Вспоминай формулы по каждой теме
Решай новые задачи каждый день
Вдумчиво разбирай решения
ШКОЛКОВО.
Готовиться с нами - ЛЕГКО!
Подтемы раздела №25 электродинамика (расчетная задача высокого уровня сложности)
Решаем задачу:

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 1#53340

В электрической цепи (см. рисунок) все элементы идеальные, их параметры указаны, ключи разомкнуты, конденсаторы не заряжены. Сначала замыкают ключ K1  . После установления режима в цепи замыкают ключ K2  . Затем замыкают ключ  K3  и размыкают его, когда напряжение на конденсаторе C становится в 4 раза больше напряжения на конденсаторе 2C.
1) Найти отношение зарядов на конденсаторе 2C после размыкания K3  и перед замыканием K3  .
2) Найти количество теплоты, которое выделится в цепи при замкнутом ключе K3  .
(«Физтех», 2016, 11)

PIC

Показать ответ и решение

1) При замкнутых ключах K1  и K2  конденсаторы соединены последовательно, тогда общая ёмкость цепи равна:

 1   1    1        2
C0-= C-+ 2C-⇒ C0 = 3C.

при этом напряжение на блоке конденсаторов равно ℰ     . тогда заряд блока конденсаторов

q0 = C0ℰ = 2Cℰ.
          3

При этом, так как конденсаторы подключены последовательно, то заряд на конденсаторах равен общему заряду.

Пусть после размыкания K3  напряжение на 2C  равно U1  , тогда по условию напряжение на конденсаторе C  равно  4U1  . По закону Ома для полной цепи выполнено равенство

                  ℰ
ℰ = 4U1 + U1 ⇒ U1 = 5.

Заряд на 2C  равен

q1 = 2CU1 = 2C ℰ.
           5

Значит, искомое отношение

q1= 3.
q2  5

2) Энергия конденсатора равна:

     CU2
W  = -2--,

где C  – ёмкость конденсатора, U  – напряжение на нем.
Найдем изменение энергии конденсаторов при замыкании ключа. Первоначальная энергия (сразу после замыкания) равна

W  = C0ℰ2-= Cℰ2.
 1    2      3

При размыкании ключа энергии конденсаторов равны:

           2      2
WC  = C(4U1)-= 8Cℰ--
        2       25

W2C = 2C-(U1)2 = Cℰ2-
         2       25

Общая энергия перед размыканием ключа

                9C-ℰ2
W2 = WC + W2C =   25  .

Тогда изменение энергии

               9C ℰ2  C ℰ2   2Cℰ2
ΔW  = W2 − W1 =--25-− --3- = -75-.

Работа источника в данном случае равна:

A = Δqℰ,

где Δq  – заряд, протекший через источник.
Заряд, протекший через источник, равен

Δq = C ⋅4U1 − q0 = 2-Cℰ.
                 15

тогда работа источника

A = -2Cℰ 2
    15

Из закона сохранения энергии можно найти искомую величину

             2   2   2C ℰ2   8Cℰ2
Q= A − ΔW  = 15Cℰ  − -75--= -75--
Ответ:

Специальные программы

Все специальные программы

Программа
лояльности v2.0

Приглашай друзей в Школково и получай вознаграждение до 10%!

Крути рулетку
и выигрывай призы!

Крути рулетку и покупай курсы со скидкой, которая привязывается к вашему аккаунту.

Бесплатное обучение
в Школково

Для детей ДНР, ЛНР, Херсонской, Запорожской, Белгородской, Брянской областей, а также школьникам, находящимся в пунктах временного размещения Крыма обучение на платформе бесплатное.

Налоговые вычеты

Узнай, как получить налоговый вычет при оплате обучения в «Школково».

Специальное предложение
для учителей

Бесплатный доступ к любому курсу подготовки к ЕГЭ или олимпиадам от «Школково». Мы с вами делаем общее и важное дело, а потому для нас очень значимо быть чем-то полезными для учителей по всей России!

Вернём деньги за курс
за твою сотку на ЕГЭ

Сдать экзамен на сотку и получить обратно деньги за подготовку теперь вполне реально!

cyberpunkMouse
cyberpunkMouse
Рулетка
Вы можете получить скидку в рулетке!